2020年度中国半导体十大研究进展发布

赵敏 2021-02-19

近年来，我国在半导体科技领域取得了举世瞩目的成就，智能处理芯片、碳基芯片、光通信芯片、新型场效应管等关键核心技术取得突破性进展，有力支撑了我国新一代信息技术的发展。2月8日，《半导体学报》发布了2020年度中国半导体十大研究进展。

1、全球首款多阵列忆阻器存算一体系统

清华大学钱鹤、吴华强研究团队在国际上首次实现了基于多个忆阻器阵列的存算一体系统，通过引入新型忆阻器件结构和混合训练方法，解决了处理多层卷积神经网络时的误差累积问题，并使硬件系统整体能效比GPU高两个数量级，大幅提升了计算设备的算力，证明了存算一体技术在人工智能等领域应用的可行性及广阔前景。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 577: 641–646）。

多忆阻器阵列芯片硬件系统

2、基于半球状半导体纳米线阵列仿生视网膜的电化学仿生眼

人眼结构精致，功能强大，其球形结构使仿生人眼加工相当困难。香港科技大学范智勇教授团队创造性地以曲面纳米模板集成光敏纳米线为半球形状仿生视网膜，并开发系统集成策略，得到与人眼结构相似的仿生眼，有望实现超广角、超高分辨成像，促进视觉假体以及类人机器人的发展。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 278–282）。

半球状纳米线视网膜电化学仿生眼的结构及表征

3、用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列

北京大学张志勇-彭练矛团队发展了高密度高纯半导体碳纳米管阵列薄膜晶圆制备技术，首次突破了超大规模碳管集成电路发展的材料瓶颈。基于该材料，首次展示了性能超过相同尺寸的硅基CMOS电路的碳纳米管集成电路。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2020, 368(6493): 850–856）。

碳管高速集成电路

4、通讯波段的高性能钠基等离激元纳米激光器

南京大学朱嘉、周林团队联合北京大学马仁敏等合作者，利用液态金属可控冷却旋涂技术，结合金属-绝缘体-半导体间隙等离激元优化设计，首次制备了高品质因子金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构，实现了通讯波段纳米激光的室温激射，其激射阈值（140 KW/cm2）创同类激光器新低。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 401–405）。

钠基等离激元结构制备工艺(a)、品质因数(b)，以及钠基等离激元纳米激光器场分布(c)与室温激射阈值特性(d)

5、米级高指数晶面单晶铜箔库制造

北京大学-松山湖材料实验室-南方科技大学刘开辉、王恩哥、俞大鹏合作团队提出界面能驱动单晶金属“变异和遗传”的退火生长机制，在国际上首次实现种类最全（30余种）、尺寸最大（A4纸尺寸）的高指数晶面单晶铜箔库制造。该铜箔库为高功率电力、高频电子、选择性催化、量子材料外延等提供了关键功能材料。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 406–410）。

单晶铜箔库中不同晶面指数铜箔的原子结构示意图

6、大面积范德瓦尔斯异质结阵列的通用合成

湖南大学段曦东教授与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授合作利用激光烧蚀制造缺陷阵列诱导合成了大规模金属/半导体垂直范德华异质结阵列。利用这种范德华接触制备的双层硒化钨晶体管开态电流高达900 μA/μm。本成果为二维半导体集成电路提供了一个新的技术途径。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 579: 368–374）。

7、拓扑保护的单向导模共振态观测

面向超大容量光互连需求，北京大学彭超副教授团队与合作者从拓扑视角出发，在光子晶体中构造了单向辐射导模共振态，实现了不依靠反射镜的光定向辐射。该技术有望显著降低片上光端口的插损，为高密度光子集成及光子芯片开拓新方向。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 580: 467–471）。

a，动量空间中上下表面远场辐射的傅里叶散射图像。b，傅里叶图像上不同k_x点处随波长变化的散射谱。c,d, 随k_x变化的能带以及下表面单面品质因子。在UGR态附近，下表面单面品质因子高达1.6e5。

8、单原子层沟道的鳍式场效应晶体管

金属研究所、山西大学、湖南大学等多家研究机构合作，成功将鳍式场效应晶体管垂直沟道宽度缩小至物理极限，利用多种单原子层过渡族硫化物半导体展示了0.6纳米鳍片宽度原型器件，为后摩尔时代电子器件探索提供了参考。

该成果发表于《自然通讯》杂志（Nat Commun, 2020, 11: 1205）。

左：MOFET场效应晶体管的几种构型；右：单原子层极限沟道FinFET。

9、大面积全钙钛矿叠层太阳电池世界纪录效率

南京大学谭海仁课题组通过在窄带隙钙钛矿前驱体溶液中添加两性离子还原剂，实现了大面积高质量钙钛矿薄膜的制备，创造了大面积全钙钛矿叠层电池世界纪录认证效率24.2%，使我国叠层太阳电池成果首次被太阳电池效率表《Solar cell efficiency tables》收录，为提升电池效率和降低发电成本提供了新思路。

该成果发表于《自然能源》杂志（Nat Energy, 2020, 5: 870–880）。

大面积全钙钛矿叠层太阳电池的光伏性能。（a，b）全钙钛矿叠层太阳电池的器件结构图和横截面扫描电子显微镜图像；（c）最高性能叠层太阳电池的J-V曲线；（d）叠层电池的EQE曲线；（e）大面积叠层太阳电池的效率统计；（f-h）小面积叠层电池的J-V和EQE曲线；（i）12 cm2面积叠层电池的J-V曲线。

10、具有数字辅助分布驱动器和集成CDR的50Gb/s

PAM4硅光子发射机中国科学院半导体所祁楠团队，联合国家信息光电子创新中心，提出一种光电融合的多幅值电光调制技术，通过协同设计分布式CMOS驱动电路和双段式硅光调制器，实现一款单波50 Gbps的光电集成发射机芯片，输出光眼图抖动小于1.4 ps。

该成果发表于《IEEE 固态电路》杂志（IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2020, 55(5): 1282–1296）。